线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置及方法
【专利摘要】线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置及方法，属于光学领域，本发明为解决采用直接测量法来测量金属线胀系数，存在误差大、测量精度低的问题。本发明包括线性调频激光器、薄玻璃板、第一平面反射镜、待测金属线、电热炉、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统；线性偏振光以入射角θ0斜透射薄玻璃板后，再入射至第一平面反射镜，该光束在相互平行的薄玻璃板和第一平面反射镜之间反复反射和透射多次，获得多束经薄玻璃板透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起汇聚至光电探测器的光敏面上，信号处理系统处理数据获取金属线温度变化前后薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离变化量，进而获取待测金属线的膨胀系数。
【专利说明】线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置及方法，属于光学领域。
【背景技术】
[0002]物体的热膨胀性质反映了材料本身的属性，通常将固体受热后在一维方向上长度的变化称为线膨胀。测量材料的线膨胀系数，不仅对新材料的研制具有重要意义，而且也是选用材料的重要指标之一。在工程结构设计、机械和仪表的制造、材料的加工等过程中都必须考虑材料的热膨胀特性。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程的损毁，仪表的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。目前，对金属线膨胀系数的测定有光杠杆法、读数显 微镜法、电热法和激光干涉法等测量方法。
[0003]在用这些方法测量的过程中，由于需要直接测量的参数过多，操作较复杂，以至于实验的系统误差与偶然误差偏大，例如，用光杠杆法测金属膨胀系数时，由于近似公式的采用与复杂的操作使其系统误差偏大，同时，由于读数装置配备不合理引入的偶然误差也较大，以至于其相对误差达4.4% ;读数显微镜法由于视觉引起的偶然误差和电热法实际温度与传感器的延迟引起的系统误差等都极大的限制了其测量精度；激光干涉法由于该装置的干涉条纹锐细、分辨率高，同时实验操作简单，从而大大减小了实验误差，实现了金属膨胀系数的精确测量，测量的相对误差可为2%，但是这种方法在读取干涉条纹数时存在视觉引起的偶然误差，导致精度无法再提高，也不能满足目前超高精度测量的要求。
【发明内容】
[0004]本发明目的是为了解决采用直接测量法来测量金属膨胀系数，存在误差大、测量精度低的问题，提供了一种线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置及方法。
[0005]本发明所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置及方法，它包括线性调频激光器、薄玻璃板、第一平面反射镜、待测金属线、电热炉、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统；
[0006]第一平面反射镜的非反射面中心与待测金属线的一端固定连接，待测金属线与第一平面反射镜垂直，待测金属线的整体位于电热炉内；
[0007]薄玻璃板与第一平面反射镜平行、等高；薄玻璃板与第一平面反射镜之间的距离d 为 20mm ~30mm ;
[0008]线性调频激光器发出的线性偏振光以入射角Θ ^斜入射至薄玻璃板，经该薄玻璃板透射之后的光束入射至第一平面反射镜，该光束在相互平行的薄玻璃板和第一平面反射镜之间反复反射和透射多次，获得多束经薄玻璃板透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起通过会聚透镜汇聚至光电探测器的光敏面上，所述光电探测器输出电信号给信号处理系统；信号处理系统处理数据获取金属线温度变化前后薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离变化量Λ D，进而获取待测金属线(5)的膨胀系数α。
[0009]基于所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置的方法包括以下步骤:
[0010]步骤一、温控仪控制电热炉将待测金属线加热至温度T1，保持5~10分钟，打开线性调频激光器，由信号处理系统处理相关数据测量出薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距
离〕！；
[0011]步骤二、温控仪控制电热炉将待测金属线加热至温度T2,保持5~10分钟，在温度改变的过程中，待测金属线伸缩同步带动第一平面反射镜移动，由信号处理系统处理相关数据测量出在温度T2时薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离D2 ；
[0012]步骤三、根据公式
【权利要求】
1.线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，它包括线性调频激光器(1)、薄玻璃板(3)、第一平面反射镜(4)、待测金属线(5)、电热炉(6)、会聚透镜(8)、光电探测器(9)和信号处理系统； 第一平面反射镜(4)的非反射面中心与待测金属线(5)的一端固定连接，待测金属线(5)与第一平面反射镜(4)垂直,待测金属线(5)的整体位于电热炉(6)内； 薄玻璃板(3)与第一平面反射镜(4)平行、等高；薄玻璃板(3)与第一平面反射镜(4)之间的距离d为20_~30_ ； 线性调频激光器(I)发出的线性偏振光以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(3)，经该薄玻璃板(3)透射之后的光束入射至第一平面反射镜(4)，该光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间反复反射和透射多次，获得多束经薄玻璃板(3)透射之后的光束和薄玻璃板(3)前表面的反射光一起通过会聚透镜(8)汇聚至光电探测器(9)的光敏面上，所述光电探测器(9)输出电信号给信号处理系统；信号处理系统处理数据获取金属线5温度变化前后薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离变化量AD，进而获取待测金属线(5)的膨胀系数α。
2.根据权利要求1所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，它还包括第二平面反射镜(2);线性调频激光器(I)发出的线性偏振光经第二平面反射镜(2)反射后，再以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(3)。
3.根据权利要求1所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，它还包括温控仪(7)和温度采集装置，所述电热炉(6)的温控信号输入端与温控仪(7)的温控信号输出端连接；温度采集装置采集待测金属线(5)的温度，所述温度采集装置的温度信号输出端与温控仪(7)的温度信号输入端连接。
4.根据权利要求3所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，温度采集装置为钼电阻。
5.根据权利要求1、2、3或4所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，信号处理系统包括滤波器(10)、前置放大器(11)、A/D转换电路(12)和DSP微处理器(13)； 滤波器(10)的输入端与光电探测器(9)的电信号输出端相连；滤波器(10)的输出端与前置放大器(11)的输入端相连；前置放大器(11)的输出端与A/D转换电路(12)的模拟信号输入端相连;A/D转换电路(12)的数字信号输出端与DSP微处理器(13)的输入端相连。
6.基于权利要求5所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一、温控仪(7)控制电热炉(6)将待测金属线(5)加热至温度T1，保持5~10分钟，打开线性调频激光器(I)，由信号处理系统处理相关数据测量出薄玻璃板(3)和第一平面反射镜⑷之间的距离D1; 步骤二、温控仪(7)控制电热炉(6)将待测金属线(5)加热至温度T2，保持5~10分钟，在温度改变的过程中，待测金属线(5)伸缩同步带动第一平面反射镜(4)移动，由信号处理系统处理相关数据测量出在温度T2时薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离込；步骤三、根据公式
7.根据权利要求6所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的方法，其特征在于，温度T1时的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离D1和温度T2时的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离D2的获取方法是相同的，以下将D1和D2统称为d，则薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d的获取方法包括以下步骤:步骤1、线性调频激光器(I)发出线性调频线偏振光以Qtl角入射至薄玻璃板(3)，该光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)汇聚至光电探测器(9)的光敏面上； 步骤2、获取入射至光电探测器(9)的光束的总光％E2(t):
Es (t) = E1 (t) +E2 (t) +...+Em (t), m 为大于或等于 2 的正整数； 其中=E1U)为光束经薄玻璃板(3)前表面反射后的反射光场,且按公式
【文档编号】G01B11/02GK103954646SQ201410206015
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】李彦超, 韩雪冰, 杨九如, 冉玲苓, 高扬, 杨瑞海, 杜军, 丁群, 王春晖, 马立峰, 于伟波 申请人:黑龙江大学